使用条件变量模拟消费者和生产者

题目简介

生产者和消费者问题是一个经典的多线程同步问题，涉及到一个共享的缓冲区，生产者将数据放入缓冲区，消费者从缓冲区中取出数据。问题的关键是要确保生产者和消费者之间的正确交互，避免生产者在缓冲区满时继续生产，消费者在缓冲区空时继续消费。

解决方案

使用条件变量是一种常见的解决方案，它可以用于线程之间的通信和同步。条件变量允许线程等待某个条件的发生，并在条件满足时被唤醒。在生产者和消费者问题中，可以使用两个条件变量，一个用于生产者等待缓冲区不满的条件，另一个用于消费者等待缓冲区不空的条件。

在这里我使用的是链表版本的存储空间，不需要考虑生产者等待缓冲区满的情况，所以只需要一个条件变量用于消费者等待缓冲区不空即可。

下面是使用条件变量实现生产者和消费者问题的一般步骤：

1. 定义共享的缓冲区和相关的变量，如缓冲区大小、缓冲区数据、缓冲区中的数据数量等。
2. 定义互斥锁，用于保护对缓冲区的访问，确保同时只有一个线程能够修改缓冲区。
3. 定义条件变量，一个用于消费者等待缓冲区不空的条件。
4. 生产者线程循环执行以下操作：

• 加锁互斥锁，保证对缓冲区的互斥访问。
• 将数据放入缓冲区。
• 解锁互斥锁。
• 唤醒等待缓冲区不空的条件变量的消费者线程。

5. 消费者线程循环执行以下操作：

• 加锁互斥锁，保证对缓冲区的互斥访问。
• 检查缓冲区是否为空，如果为空，则等待缓冲区不空的条件变量。
• 从缓冲区取出数据。
• 解锁互斥锁。

通过使用条件变量，生产者和消费者可以在合适的时机等待和唤醒，以实现正确的同步和互斥操作，避免了忙等待的情况。

编码流程

1. 定义了一个结构体msg作为链表节点，表示产品。结构体包含一个指向下一个节点的指针next和一个表示产品编号的整数num。
2. 声明了一个全局变量head，表示链表的头指针。
3. 静态初始化了一个条件变量has_product和一个互斥量lock。
4. 定义了消费者线程函数consumer，在一个无限循环中执行消费者的操作。首先，使用互斥锁lock对临界区进行加锁。然后，使用一个while循环判断链表头指针head是否为空，如果为空，说明没有产品可供消费，此时调用pthread_cond_wait等待条件变量has_product的触发。在等待期间，消费者线程会释放互斥锁并等待被唤醒。当被唤醒后，再次检查链表头指针是否为空。如果不为空，说明有产品可供消费，将头节点取出并更新头指针。最后，释放互斥锁并打印消费的产品编号，然后释放节点的内存并休眠一段时间。
5. 定义了生产者线程函数producer，在一个无限循环中执行生产者的操作。首先，动态分配一个新的节点mp作为产品，并为num赋予一个随机值。然后，打印生产的产品编号。接下来，使用互斥锁lock对临界区进行加锁。将新节点插入链表的头部，并更新头指针。最后，释放互斥锁，并调用pthread_cond_signal唤醒等待在条件变量has_product上的一个消费者线程。最后，休眠一段时间。
6. 在main函数中，创建了一个生产者线程和一个消费者线程，并使用pthread_join等待线程的结束。
7. 通过调整休眠时间，可以模拟生产者和消费者的不同速度和数量。

代码展示

//借助条件变量模拟生产者，消费者问题
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

//链表作为共享熟路，需要被互斥量保护
struct msg{
struct msg *next;
int num;
};

struct msg *head;

//静态初始化，一个条件变量和一个互斥量
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *consumer(void *p){
struct msg *mp;
for(;;){
pthread_mutex_lock(&lock);
while(head == NULL){ //头指针为空，说明没有节点
pthread_cond_wait(&has_product, &lock);

	}
	mp = head;
	head = mp->next;	//模拟消费掉一个产片
	pthread_mutex_unlock(&lock);
	printf("Consume %lu---%d\n", pthread_self(), mp->num);
	free(mp);
	sleep(rand() % 5);
}
return NULL;
}

void *producer(void *p){
struct msg *mp;
for(;;){
mp = malloc(sizeof(struct msg));
mp->num = rand() % 1000 + 1; //模拟生产一个产品
printf("Produce =============%d\n", mp->num);
pthread_mutex_lock(&lock);
mp->next = head;
head = mp;
pthread_mutex_unlock(&lock);
pthread_cond_signal(&has_product); //将等待在该条件变量的一个线程唤醒
sleep(rand() % 5);
}
return NULL;
}

int main(){
pthread_t pid, cid;
srand(time(NULL));
pthread_create(&pid, NULL, producer, NULL);
pthread_create(&cid, NULL, consumer, NULL);
pthread_join(pid, NULL);
pthread_join(cid, NULL);
return 0;
}

运行结果

注意事项

需要注意的是，在使用条件变量时，需要先加锁互斥锁，再进行条件判断和等待操作，以确保线程在等待条件变量时不会出现竞态条件。同时，在修改条件变量相关的状态之后，需要唤醒等待该条件的线程，以便它们能够重新检查条件并继续执行。